「Parkin」の版間の差分

　1998年、若年性パーキンソン病の一つである常染色体性潜性（劣性）若年性パーキンソニズム(Autosomal Recessive-Juvenile Parkinsonism: AR-JP)の原因遺伝子としてParkin (PRKN, PARK2)が同定された<ref name=Kitada1998><pubmed>9560156</pubmed></ref> 。パーキンソン病原因遺伝子としては、α-Synuclein (SNCA; PARK1/PARK4)に次いで、２番目に同定された遺伝子である。Parkinは、６番染色体（6q26）にある1.38 Mbの巨大な遺伝子で、欠失変異、フレームシフト変異、ミスセンス変異が、遺伝子全体にわたって見つかっている。Parkin変異は人種を越えてみられ、遺伝性若年性パーキンソン病の約50%を占めると報告されている<ref name=Lucking2000><pubmed>10824074</pubmed></ref><ref name=Hattori2004><pubmed>15325839</pubmed></ref> 。

　Parkinタンパク質は基質タンパク質にユビキチンを転移するユビキチンリガーゼで、多くの病因変異でその活性が損なわれている<ref name=Shimura2000><pubmed>10888878</pubmed></ref><ref name=Imai2000><pubmed>10973942</pubmed></ref><ref name=Zhang2000><pubmed>11078524</pubmed></ref> 。これまでにユビキチン化基質候補として数多くのタンパク質が報告されている<ref name=Zhang2015><pubmed>26793099</pubmed></ref> 。

　2004年、PINK1(PTEN induced kinase 1; PARK6)が、常染色体性潜性若年性パーキンソン病原因遺伝子として同定された<ref name=Valente2004><pubmed>15087508</pubmed></ref> 。遺伝性若年性パーキンソン病のうち、PINK1変異はParkinに次いで頻度が高く、Parkinと臨床像は類似している<ref name=Kumazawa2008><pubmed>18541801</pubmed></ref> 。ショウジョウバエを用いた遺伝学的研究から、常染色体性潜性（劣性）若年性パーキンソン病原因遺伝子PINK1がParkinの上流因子であり、PINK1とParkinがミトコンドリアの機能維持に関与することが明らかとなった<ref name=Clark2006><pubmed>16672981</pubmed></ref><ref name=Park2006><pubmed>16672980</pubmed></ref><ref name=Yang2006><pubmed>16818890</pubmed></ref> 。その後、ヒト培養細胞を用いた研究から、PINK1がParkinをリン酸化し<ref name=Kondapalli2012><pubmed>22724072</pubmed></ref><ref name=Shiba-Fukushima2012><pubmed>23256036</pubmed></ref><ref name=Shiba-Fukushima2014a><pubmed>24901221</pubmed></ref>、協働して膜電位の低下したミトコンドリアを除去するマイトファジー（ミトコンドリアを対象とするオートファジー）に関与することが明らかになった（図1）<ref name=Narendra2008><pubmed>19029340</pubmed></ref><ref name=Narendra2010><pubmed>20126261</pubmed></ref><ref name=Matsuda2010><pubmed>20404107</pubmed></ref><ref name=Geisler2010><pubmed>20098416</pubmed></ref> 。

　ヒトParkinタンパク質は465 アミノ酸残基からなり、N末端のユビキチン様ドメイン(Ubl)、C末端に２つのRING fingerモチーフ(RING1, RING2)とIn-Between-RINGs (IBR)という構造をもつ（図2）。その後、UblとRNIG1-IBR-RING2の間に、RING様構造が見つかり、RING0（またはUPD; unique parkin domain）と呼ばれる<ref name=Hristova2009><pubmed>19339245</pubmed></ref> （図2）。Parkinは、RING-IBR-RINGドメインを有するRBR型ユビキチンリガーゼに分類され、同様の構造をもヒトユビキチンリガーゼに、HOIL-1, HHARI, DORFINがある。タンパク質の全体構造は2013-2015年に解かれ、コンパクトに折り畳まれた状態であることが明らかとなった<ref name=Trempe2013><pubmed>23661642</pubmed></ref><ref name=Wauer2015><pubmed>26161729</pubmed></ref> （図3）。

　コンパクトに折り畳まれたParkinは、活性中心がマスクされ不活性型である。Parkinの活性化は２つのステップで起こる。１段階目として、PINK1によってSer65がリン酸化されたユビキチン<ref name=Kane2014><pubmed>24751536</pubmed></ref><ref name=Kazlauskaite2014><pubmed>24660806</pubmed></ref><ref name=Koyano2014><pubmed>24784582</pubmed></ref> がParkinのリン酸基結合ポケットに結合し、Ublのリン酸化サイト（Ser65）が露出する。２段階目に、露出したUblのSer65がPINK1によりリン酸化され、リン酸化UblがRING0/UPDに結合することで、RING2にある活性中心とRING1にあるユビキチン結合酵素（E2）結合部位が安定的に露出する<ref name=Wauer2015><pubmed>26161729</pubmed></ref>  （図3）。

　ヒトParkin mRNAはユビキタスに発現しているが、筋組織、腎臓、脳で比較的高発現をしている<ref name=Kitada1998><pubmed>9560156</pubmed></ref><ref name=Uhlen2015><pubmed>25613900</pubmed></ref> 。哺乳類ゲノムにおいて、PRKNはPACRG (Parkin co-regulated gene)と双方向プロモーターを共有する<ref name=West2003><pubmed>12547187</pubmed></ref> 。Parkinの発現を制御する転写因子として、N-myc <ref name=West2004><pubmed>15078880</pubmed></ref> , p53 <ref name=Zhang2011><pubmed>21930938</pubmed></ref> , ATF4 <ref name=Bouman2011><pubmed>21113145</pubmed></ref> が報告されている。小胞体ストレス・ミトコンドリアストレス <ref name=Imai2000><pubmed>10973942</pubmed></ref><ref name=Bouman2011><pubmed>21113145</pubmed></ref><ref name=Wang2007><pubmed>17465879</pubmed></ref> 、成長因子・栄養制限 <ref name=Klinkenberg2012><pubmed>22028146</pubmed></ref> などの環境要因でも発現上昇が見られる。

　哺乳類細胞内では主に細胞質に局在するが、PINK1の活性化に伴って、ミトコンドリアへの集積が見られる<ref name=Narendra2010><pubmed>20126261</pubmed></ref><ref name=Matsuda2010><pubmed>20404107</pubmed></ref> 。PINK1によるParkinのミトコンドリアへの集積の分子メカニズムは、2014-2015年に明らかされた（図4）<ref name=Ordureau2014><pubmed>25284222</pubmed></ref><ref name=Shiba-Fukushima2014b><pubmed>25474007</pubmed></ref><ref name=Okatsu2015><pubmed>25609704</pubmed></ref> 。

　ミトコンドリア局在性キナーゼPINK1は、ミトコンドリア膜電位依存的に健常なミトコンドリアの内膜まで輸送され、ミトコンドリア内プロテアーゼMPP(mitochondrial processing peptidase) <ref name=Greene2012><pubmed>22354088</pubmed></ref> とPARL <ref name=Zhou2008><pubmed>18687899</pubmed></ref><ref name=Jin2010><pubmed>21115803</pubmed></ref> によって２段階の切断を受け、その後、細胞質にてユビキチン-プロテアソーム経路で分解されると考えられている<ref name=Yamano2013><pubmed>24121706</pubmed></ref> 。ミトコンドリア膜電位が低下すると、膜電位依存的な輸送効率が低下し、ミトコンドリア外膜に蓄積、自己会合および自己リン酸化により、キナーゼが活性化する<ref name=Okatsu2015><pubmed>25609704</pubmed></ref><ref name=Okatsu2012><pubmed>22910362</pubmed></ref><ref name=Okatsu2013><pubmed>24189060</pubmed></ref> （図5）。以上から、PINK1は膜電位が低下した（機能低下した）ミトコンドリアを検出するセンサーとして働くと考えられる。

　活性化したPINK1は、近傍のポリユビキチン化修飾を受けたタンパク質（主にミトコンドリア外膜のタンパク質）をリン酸化する（リン酸化ポリユビキチン鎖の種の形成）。Parkinはリン酸化ポリユビキチンへの親和性が高く、細胞質からミトコンドリア上のリン酸化ポリユビキチンへ繋留され活性化する。活性化されたParkinは、近傍のミトコンドリアタンパク質をユビキチン化する。さらに、PINK1がParkinによるポリユビキチン鎖をリン酸化し、新たなリン酸化ポリユビキチン鎖をミトコンドリア外膜上に形成する（リン酸化ポリユビキチン鎖の増幅）。増幅されたリン酸化ポリユビキチン鎖に、細胞質に残っている不活性型Parkinが繋留され活性化し、PINK1と協働して、さらにリン酸化ポリユビキチン鎖を形成する（リン酸化ポリユビキチン鎖の再増幅）。PINK1とParkinの役割は、上述のようなフィードフォワードループを形成して、不良ミトコンドリアをリン酸化ポリユビキチン鎖にて速やかにマーキングすることだと考えられる（図4）<ref name=Ordureau2014><pubmed>25284222</pubmed></ref><ref name=Shiba-Fukushima2014b><pubmed>25474007</pubmed></ref> 。

　マイトファジー時のParkinのユビキチン化基質は数多く報告され、ミトコンドリア外膜・内膜・マトリクスタンパク質のほか、細胞質や核のタンパク質も含まれる<ref name=Sarraf2013><pubmed>23503661</pubmed></ref> 。そのうち、Dynamin-like GTPase, Mitofusin（哺乳類ではMitofusin 1とMitofusin 2がある）は、Parkinによって早期にユビキチン化とその後のプロテアソーム経路での分解を受けるミトコンドリア外膜分子として知られる。Mitofusinの分解により、ミトコンドリアが断片化する<ref name=Gegg2010><pubmed>20871098</pubmed></ref><ref name=Poole2010><pubmed>20383334</pubmed></ref><ref name=Rakovic2011><pubmed>21408142</pubmed></ref><ref name=Tanaka2010><pubmed>21173115</pubmed></ref><ref name=Ziviani2010><pubmed>20194754</pubmed></ref> 。ミトコンドリアの断片化は、隔離膜形成とオートファジーによる除去を容易にすると考えられる<ref name=Tanaka2010><pubmed>21173115</pubmed></ref> 。実際、ミトコンドリア断片化に働くDynamin-like GTPase, Drp1の過剰発現は、ParkinやPINK1ノックアウトハエのミトコンドリア変性を緩和する<ref name=Deng2008><pubmed>18799731</pubmed></ref><ref name=Yang2008><pubmed>18443288</pubmed></ref> 。このDrp1の効果は、Parkin非介在マイトファジーによる補完を促進するからと考えられる。

　ミトコンドリア外膜Rho-GTPase, Miro (哺乳類ではMiro 1とMiro 2がある）は、キネシンタンパク質KIF5と協働して、微小管を介したミトコンドリアの順行輸送に関与する<ref name=Wang2011><pubmed>22078885</pubmed></ref><ref name=Liu2012><pubmed>22396657</pubmed></ref> 。神経細胞においては、神経軸索、前シナプスへのミトコンドリア供給機構として重要である。MiroがPINK1-Parkinによりユビキチン化、プロテアソーム経路での分解を受けることにより、ミトコンドリア輸送が停止する<ref name=Wang2011><pubmed>22078885</pubmed></ref><ref name=Liu2012><pubmed>22396657</pubmed></ref> 。その生理的意義として、不良ミトコンドリアを神経終末へ輸送しないミトコンドリア品質管理と考えられる（図6）。

　ParkinはPACRG (Parkin co-regulated gene)とともにサルモネラ菌、らい菌感染の感受性遺伝子座に位置する<ref name=Mira2004><pubmed>14737177</pubmed></ref><ref name=Ali2006><pubmed>16734611</pubmed></ref> 。実験的にParkinが結核菌のゼノファジー（異物排除のためのオートファジー）に関与することが示されたが、Parkinが活性化するメカニズムは不明である<ref name=Manzanillo2013><pubmed>24005326</pubmed></ref> 。

　ショウジョウバエでは、加齢依存的な中枢ドーパミン神経のマイトファジーにParkinが関与するという報告<ref name=Cornelissen2018><pubmed>29809156</pubmed></ref> 、しないという報告<ref name=Lee2018><pubmed>29500189</pubmed></ref><ref name=Kim2019><pubmed>31120803</pubmed></ref> がある。ただし文献<ref name=Kim2019><pubmed>31120803</pubmed></ref> では、非神経組織において、低酸素処理によるマイトファジーや、ミトコンドリアから活性酸素種を発生させるロテノン処理で誘導されるマイトファジーにPINK1、Parkinが関与すると報告している。ショウジョウバエモデルにおいて、PINK1やParkinが中枢ドーパミン神経のマイトファジーに関与するという文献<ref name=Cornelissen2018><pubmed>29809156</pubmed></ref> ではmt-Keimaを、関与しないという文献<ref name=Lee2018><pubmed>29500189</pubmed></ref> ではmt-Keimaとmito-QCを、非神経組織でのPINK1-Parkin依存的なマイトファジーをみた文献<ref name=Kim2019><pubmed>31120803</pubmed></ref> ではmt-Keimaを、マイトファジーのレポーターとして用いている。今後、新たなマイトファジー解析手法が待たれる状況である。

　ショウジョウバエでは、ParkinやPINK1変異でミトコンドリア呼吸鎖複合体サブユニット群の半減期が長くなっており、マイトファジー以外の選択的なミトコンドリアタンパク質分解機構も提唱されている<ref name=Vincow2013><pubmed>23509287</pubmed></ref><ref name=McLelland2016><pubmed>27458136</pubmed></ref> 。

　Parkin変異によるパーキンソン病の典型的な臨床像として、40歳未満での発症、緩慢な病態進行、正常な認知機能、下肢ジストニア、良好なL-ドーパへの反応性、が挙げられる <ref name=久保紳一郎、波田野琢、服部信孝2013><pubmed></pubmed></ref> 。神経病理学的特徴として、黒質および青斑核に限局した神経細胞減少を示し、グリオーシスは通常見られない。孤発性パーキンソン病の特徴的病理所見であるレビュー小体は通常みられない<ref name=久保紳一郎、波田野琢、服部信孝2013><pubmed></pubmed></ref> 。10歳未満での発症の報告もあり、Parkinはドーパミン神経発生の段階で機能していることが推察される<ref name=Matsumine1997><pubmed>9042918</pubmed></ref><ref name=Takei2000><pubmed>11086400</pubmed></ref> 。

その他、がん抑制遺伝子として、いくつか報告がある<ref name=Denison2003><pubmed>12874785</pubmed></ref><ref name=Cesari2003><pubmed>12719539</pubmed></ref><ref name=Fujiwara2008><pubmed>18574468</pubmed></ref><ref name=Veeriah2010><pubmed>19946270</pubmed></ref><ref name=Gong2014><pubmed>24793136</pubmed></ref> 。